锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2制备改性及电化学性能研究

摘要

能源危机和环境污染是人类需要攻克的重大难题，开发可持续发展新能源成为当务之急。节能环保的二次锂离子电池受到了广泛关注。正极材料是二次锂离子电池的重要组成之一，研究改进其性能，从而获得高性能且适合工业化生产的锂离子电池具有十分重要的意义。本文以材料产业化为目标，对锂离子电池三元镍钴锰酸锂（NCM）材料制备、改性等方面进行研究，采用多种物理表征和电化学测试手段对材料进行结构、形貌及电化学性能分析。
　　对比分析了不同制备方法对 NCM前驱体的形貌、结构和性能的影响，研究结果表明，采用共沉淀法制备 NCM材料，通过调节搅拌速率、进料速度、反应 pH值和络合剂浓度等条件，可以得到形貌均一的类球形前驱体；再通过适量配锂过程煅烧后获得的材料，在4.3V截止电压下1C容量为140.6mAh/g，200次循环后容量保持率为97.7%。实验结果对实际生产具有指导作用。
　　对材料在煅烧过程的条件控制研究结果表明，适当提高材料预烧阶段温度和时间对电化学性能是有利的；材料在600℃预烧6h得到的材料综合性能较好。在此基础上控制高温煅烧阶段的升温速率、温度和时间，可将材料在3.0-4.3V电压范围内1C倍率充放电时的比容量提高近10mAh/g，达157mAh/g。当充电截止电压提高至4.6V时，材料在1C倍率下经100次循环后的容量保持率仍高达92.9%。当碳酸锂与氢氧化锂摩尔比为95:5时，材料的循环性能提升更为明显，在3.0~4.3V电压范围内以1C倍率充放电时，经过500次循环后的容量保持率高达92.9%。
　　在 NCM材料制备过程中，对其进行适量金属和非金属元素修饰改性可以提升材料的性能，且合成方法简单有效，适合工业化大规模生产。其中，对材料进行适量的Ti掺杂，结果表明，Ti掺杂可提高其结构稳定性、倍率性能和循环性能，XRD精修结果表明，材料性能提升的原因为 Ti掺杂能降低材料的阳离子混排程度，稳定材料结构。实验结果表明，利用溶于水的钼酸铵对 NCM材料进行Mo掺杂的同时，对NCM材料也起到了包覆作用。Mo的掺杂会使锂离子脱嵌通道扩大，提升放电比容量，而表面包覆膜Li-Mo-O化合物可以隔离材料与电解液发生副反应，显著提升材料的循环稳定性。其中，Mo含量为1.0%时材料拥有最佳的电化学性能。研究结果表明，对NCM材料进行氟离子修饰，可以使材料在常温下的循环性能有所提高。
　　将不同晶型材料的前驱体混合，在聚乙二醇的辅助下，采用一步高温煅烧法直接形成了层状与尖晶石型复合的材料。按一定比例混合不同粒径 NCM材料，通过二次烧结得到的混合材料，振实密度有所提升，且材料的体积比容量有显著提高。当9μm、6μm及3μm粒径材料的质量比为7:2:1时，材料的振实密度达2.57g/cm3，其体积比容量高达394.3mAh/cm3，与三种单一粒径材料相比，其体积比容量分别提高8.5%、22.2%和40.6%，效果明显。该制备方法简单有效，有较高的实用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 锂离子电池发展概述

1.3 锂离子电池正极材料研究概况

1.4 锂离子电池三元正极材料研究概况

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验药品及仪器设备

2.2 材料的制备方法

2.3 材料物理性能测试方法

2.4 材料电化学性能测试方法

第3章 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2前驱体的制备方法研究

3.1 引言

3.2 固相法制备镍钴锰酸锂正极材料

3.3 水热法制备镍钴锰酸锂材料前驱体

3.4 直接沉淀法制备镍钴锰酸锂材料前驱体

3.5 共沉淀法制备镍钴锰酸锂材料前驱体

3.6 不同制备方法电化学性能研究

3.7 本章小结

第4章 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2制备工艺及电化学性能研究

4.1 引言

4.2 低温预烧过程的调控

4.3 高温煅烧工艺的研究

4.4 煅烧过程中锂盐的比例对材料性能的影响研究

4.5 本章小结

第5章 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的改性及电化学性能研究

5.1 引言

5.2 钛掺杂材料性能研究

5.3 钼修饰材料性能研究

5.4 氟掺杂材料性能影响研究

5.5 本章小结

第6章 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2复合材料电化学性能研究

6.1 引言

6.2 镍钴锰酸锂与尖晶石锰酸锂复合材料性能研究

6.3 不同粒径镍钴锰酸锂混合对其性能影响研究

6.4 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历